Analisi CFD di flusso e dispersione in reattori a letto impaccato: ottimizzazione e scale-up = CFD analysis of flow and dispersion in packed-bed reactors: optimization and scale-up

Uno degli aspetti più critici nell’ambito dell’ingegneria chimica è l’analisi e l’ottimizzazione dei processi catalitici multifase. In questo elaborato l’attenzione è focalizzata su di un reattore a letto impaccato adibito sulla produzione di idrogeno mediante il processo di Aqueous Phase Reforming (APR) del glicerolo. La tecnologia mira a produrre molecole ad alto valore aggiunto a partire dai flussi di scarto generati, come sottoprodotti, dalle bioraffinerie dedicate alla produzione di biodiesel. L’impaccamento catalitico è generalmente trattato come un sistema multi-scala; per questo motivo, è stato analizzato inizialmente alla microscala per poi procedere al successivo up-scaling finalizzato a valutarne le prestazioni in ambito industriale. L’apparato sperimentale, considerato in questa fase iniziale non reattivo, viene studiato tramite simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) basate su di una riproduzione accurata della geometria, in grado di catturare le caratteristiche che contraddistinguono l’impaccamento reale, evitandone eccessive semplificazioni. A tal fine i dati sperimentali sono stati analizzati utilizzando il software di elaborazione digitale di immagini, ImageJ. Quest’ultimo consente di caratterizzare i frammenti catalitici costituenti l’impaccamento, sia in termini morfologici che dimensionali, offrendo parametri di confronto utili a validare le loro riproduzioni tridimensionali generate con il software di modellazione 3D, Blender. La combinazione di parametri in input al software che ha determinato un minor discostamento tra la caratterizzazione sperimentale e la specifica riproduzione digitale dell’impaccamento, è stata scelta per realizzare la geometria finale rappresentativa del mezzo poroso reale. Questo è il punto di partenza per valutare le proprietà fluidodinamiche del letto impaccato, sia all’interno del dispositivo di laboratorio che in un volume elementare rappresentativo. Attraverso il confronto tra parametri geometrici e fluidodinamici è stata evidenziata una significativa differenza tra la riproduzione fedele appena descritta ed un impaccamento di sfere, comune approssimazione della complessità geometrica di questi reattori. Porosità, tortuosità e permeabilità hanno assunto valori notevolmente differenti nei due casi, confermando così la necessità di una ricostruzione accurata della geometria oggetto di studio. Per caratterizzare il sistema alla macroscala e portarne a termine lo scale-up, viene valutata la dispersione e la velocità effettiva all’interno del mezzo. A tal proposito è stato sviluppato un solver dedicato alla risoluzione delle equazioni caratteristiche alla base della Mean Age Theory. La scelta risulta motivata dal fatto che, trattandosi di simulazioni stazionarie, queste comportano un costo computazionale inferiore rispetto alle simulazioni transitorie tradizionalmente utilizzate in questo tipo di analisi. I risultati ottenuti hanno fornito indicazioni sulle prestazioni del processo in una successiva applicazione su scala commerciale. La dispersione, infatti, è indice di quanto i reagenti riescono a distribuirsi all'interno dell’impaccamento ed è quindi strettamente correlata all'interazione tra i reagenti e la superficie catalitica, nonché alla loro conversione nel prodotto desiderato. Attraverso questa metodologia è stato possibile descrivere e riprodurre fedelmente la tecnologia testata in laboratorio, individuando potenziali ottimizzazioni per definirne il design ideale finalizzato ad un trasferimento tecnologico efficace.